目录 第7章云计算及其体系结构 7.1云计算概述 71.1云计算概念的由来 7.12云计算的定义 713云计算的特征 714云计算的分类 7.15云计算发展历程和标志性事件 71.6国内外云计算标准化进展 7.1.7云计算发展趋势 72云计算体系结构 721云计算机体系 722云计算的组成和拓扑结构 72.3云计算的逻辑架构和系统架构 724云计算的技术体系结构 725云计算的服务层次结构 726云计算中的网络层次结构 727云计算服务交易市场系统模型 728主要云计算平台及其体系结构 73云计算的相关技术 731云计算与相关计算形式的关系 732云计算的核心技术 733虚拟化技术 734云计算安全技术
102 目 录 第 7 章 云计算及其体系结构 7.1 云计算概述 7.1.1 云计算概念的由来 7.1.2 云计算的定义 7.1.3 云计算的特征 7.1.4 云计算的分类 7.1.5 云计算发展历程和标志性事件 7.1.6 国内外云计算标准化进展 7.1.7 云计算发展趋势 7.2 云计算体系结构 7.2.1 云计算机体系 7.2.2 云计算的组成和拓扑结构 7.2.3 云计算的逻辑架构和系统架构 7.2.4 云计算的技术体系结构 7.2.5 云计算的服务层次结构 7.2.6 云计算中的网络层次结构 7.2.7 云计算服务交易市场系统模型 7.2.8 主要云计算平台及其体系结构 7.3 云计算的相关技术 7.3.1 云计算与相关计算形式的关系 7.3.2 云计算的核心技术 7.3.3 虚拟化技术 7.3.4 云计算安全技术
第7章云计算及其体系结构 7.1云计算概述 71.1云计算概念的由来 云计算( Cloud Computing)不但体现了新兴技术的组合和创新,更代表着业务和商 业模式的拓展,是继计算机和互联网之后信息技术发展的最新趋势,将极大地改变人们 的生活、工作和学习的方式。 云计算”的概念起源于大规模分布式计算技术,是网格计算、并行计算、分布式 计算、网络存储和负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物,是虚拟化、 效用计算、软件即服务(SaS, Software as a service)、平台即服务(PaaS, Platform as a service)、基础架构即服务(IaaS, Infrastructure as a Service)和成功的项目群管理 等概念混合演进并跃升的结果。“云计算”术语的出现和使用纯属偶然。在互联网技术 发展初期,研究者都习惯性地将互联网画成一朵“云”来代表,因为这样,人们可以筒 化网络内部的技术细节和复杂机制,方便地讨论新技术。随着互联网技术的飞速发展, 采用“云计算”代表和体现新型的网络计算特征和技术趋势就变得非常自然。因此,云 计算这一术语很容易就在业界流行起来 计算机的应用大体经历了四种主要模式:1960年至今的“大型机一终端”模式;1980 年至今的“客户机一服务器”模式;2000年至今的“服务器聚集”模式;2007年至今 的“网格计算”和“云计算”模式。 早在20世纪60年代麦卡锡( John McCarthy)就提出了把计算能力作为一种像水和 电一样的公用事业提供给用户。云计算的第一个里程碑是,1999年 Salesforce:com提出 的通过一个网站向企业提供企业级的应用的概念。另一个重要进展是2002年亚马逊 ( Amazon)提供一组包括存储空间、计算能力甚至人工智能等资源服务的 Web service。 Web Service允许小企业和私人租用亚马逊的计算机来运行他们的应用。2005年亚马逊 又提出了弹性计算云( Elastic Compute Cloud),也称亚马逊EC2,并取得了商业上的成 功。云计算被视为“革命性的计算模型”,因为它使得超级计算能力通过互联网自由流 通成为了可能。企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本,只需要通过互联网来 购买租赁计算力。 云计算中的“计算”是一个简单而明确的概念。“计算”系指计算应用,在产业和
103 第 7 章 云计算及其体系结构 7.1 云计算概述 7.1.1 云计算概念的由来 云计算（Cloud Computing）不但体现了新兴技术的组合和创新，更代表着业务和商 业模式的拓展，是继计算机和互联网之后信息技术发展的最新趋势，将极大地改变人们 的生活、工作和学习的方式。 “云计算”的概念起源于大规模分布式计算技术，是网格计算、并行计算、分布式 计算、网络存储和负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物，是虚拟化、 效用计算、软件即服务（SaaS，Software as a Service）、平台即服务（PaaS，Platform as a Service）、基础架构即服务（IaaS，Infrastructure as a Service）和成功的项目群管理 等概念混合演进并跃升的结果。“云计算”术语的出现和使用纯属偶然。在互联网技术 发展初期，研究者都习惯性地将互联网画成一朵“云”来代表，因为这样，人们可以简 化网络内部的技术细节和复杂机制，方便地讨论新技术。随着互联网技术的飞速发展， 采用“云计算”代表和体现新型的网络计算特征和技术趋势就变得非常自然。因此，云 计算这一术语很容易就在业界流行起来。 计算机的应用大体经历了四种主要模式：1960 年至今的“大型机一终端”模式；1980 年至今的“客户机一服务器”模式；2000 年至今的“服务器聚集”模式；2007 年至今 的“网格计算”和“云计算”模式。 早在 20 世纪 60 年代麦卡锡（John McCaithy）就提出了把计算能力作为一种像水和 电一样的公用事业提供给用户。云计算的第一个里程碑是，1999 年 Salesforee.com 提出 的通过一个网站向企业提供企业级的应用的概念。另一个重要进展是 2002 年亚马逊 （Amazon）提供一组包括存储空间、计算能力甚至人工智能等资源服务的 Web Service。 Web Service 允许小企业和私人租用亚马逊的计算机来运行他们的应用。2005 年亚马逊 又提出了弹性计算云（Elastic Compute Cloud），也称亚马逊 EC2，并取得了商业上的成 功。云计算被视为“革命性的计算模型”，因为它使得超级计算能力通过互联网自由流 通成为了可能。企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本，只需要通过互联网来 购买租赁计算力。 云计算中的“计算”是一个简单而明确的概念。“计算”系指计算应用，在产业和
市场中,可以指一切IT应用。随着网络技术的融合,一切信息和通信应用也都整合在 统一的平台之上。由此推而广之,云计算中的“计算”可以泛指一切信息和通信技术的 融合应用。所以,云计算术语的关键特征并不在于“计算”,而在于“云”。 之所以称为“云”,是因为它在某些方面具有现实中云的特征:云一般都较大;云 的规模可以动态伸缩,它的边界是模糊的;云在空中飘忽不定,你无法也无需确定它的 具体位置,但它确实存在于某处;云在空中,每个人都能看到,雨水能落到每个人头上。 2006年谷歌推出了“ Coogle101计划”,正式提出“云”的概念和理论。随后亚马 逊、微软、惠普、雅虎、英特尔、IBM等公司都宣布了自己的“云计划” 712云计算的定义 云计算借用了量子物理中的“电子云”( Electron cloud)思想,强调说明计算的弥 漫性、无所不在的分布性和社会性等。 关于云计算的定义有很多种。维基百科对云计算的定义是:云计算是一种商业计算 模型和信息服务模式。它将计算任务分布在大量物理计算机服务器和虚拟服务器构成的 不同数据中心,使各种应用能够根据需要获取计算能力、存储能力和信息服务。伯克利 云计算白皮书则将其定义为“云计算包括互联网上各种服务形式的应用,以及数据中心 提供这些服务的软硬件设施 综合云计算的特点可以把云计算定义为:一种由规模经济效应所驱动的大规模分布 式计算模式,把抽象化、虚拟化、动态可扩展、有效管理的计算、存储、平台和服务等 资源池,通过互联网按需提供给外部用户。 云计算是以虚拟化技术为基础,以网络为载体的进行协同工作的超级分布式计算模 式,是把存储于PC机、智能手机、其它设备上的大量信息、处理器资源和计算任务集 中分布在数不清的计算机和服务器构成的计算机云和资源池上,使各种应用系统能够以 安全、快速、便捷、免费或按需租用以及无人干预的方式获取和释放计算和处理能力 存储空间和各种软件服务。用户通过PC机、手机等工具就可将庞大的计算处理程序自 动分拆成无数个较小的子程序,再交由这庞大的网络系统经搜索、计算分析之后将处理 结果回传给用户。 狭义的云计算是指提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可 以无限扩展的,并且可以随时获取、按需使用、随时扩展和按使用付费。这种特性经常
104 市场中，可以指一切 IT 应用。随着网络技术的融合，一切信息和通信应用也都整合在 统一的平台之上。由此推而广之，云计算中的“计算”可以泛指一切信息和通信技术的 融合应用。所以，云计算术语的关键特征并不在于“计算”，而在于“云”。 之所以称为“云”，是因为它在某些方面具有现实中云的特征：云一般都较大；云 的规模可以动态伸缩，它的边界是模糊的；云在空中飘忽不定，你无法也无需确定它的 具体位置，但它确实存在于某处；云在空中，每个人都能看到，雨水能落到每个人头上。 2006 年谷歌推出了“Coogle 101 计划”，正式提出“云”的概念和理论。随后亚马 逊、微软、惠普、雅虎、英特尔、IBM 等公司都宣布了自己的“云计划”。 7.1.2 云计算的定义 云计算借用了量子物理中的“电子云”（Electron Cloud）思想，强调说明计算的弥 漫性、无所不在的分布性和社会性等。 关于云计算的定义有很多种。维基百科对云计算的定义是：云计算是一种商业计算 模型和信息服务模式。它将计算任务分布在大量物理计算机服务器和虚拟服务器构成的 不同数据中心，使各种应用能够根据需要获取计算能力、存储能力和信息服务。伯克利 云计算白皮书则将其定义为“云计算包括互联网上各种服务形式的应用，以及数据中心 提供这些服务的软硬件设施”。 综合云计算的特点可以把云计算定义为：一种由规模经济效应所驱动的大规模分布 式计算模式，把抽象化、虚拟化、动态可扩展、有效管理的计算、存储、平台和服务等 资源池，通过互联网按需提供给外部用户。 云计算是以虚拟化技术为基础，以网络为载体的进行协同工作的超级分布式计算模 式，是把存储于 PC 机、智能手机、其它设备上的大量信息、处理器资源和计算任务集 中分布在数不清的计算机和服务器构成的计算机云和资源池上，使各种应用系统能够以 安全、快速、便捷、免费或按需租用以及无人干预的方式获取和释放计算和处理能力、 存储空间和各种软件服务。用户通过 PC 机、手机等工具就可将庞大的计算处理程序自 动分拆成无数个较小的子程序，再交由这庞大的网络系统经搜索、计算分析之后将处理 结果回传给用户。 狭义的云计算是指提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可 以无限扩展的，并且可以随时获取、按需使用、随时扩展和按使用付费。这种特性经常
被称为像打开电灯用电、打开水龙头用水一样使用IT基础设施,好比是从古老的单台 发电机模式转向了电厂集中供电的模式,而无需考虑电是从哪里来,水是哪家水厂的。 它意味着计算能力也可以作为一种商品流行流通,就像煤气、水电一样,取用方便,费 用低廉。最大的不同在于,它是通过互联网进行传输的。 广义的云计算是指“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源,通常为一些 大型服务器集群,包括计算服务器、存储服务器、宽带资源等。云计算将所有的计算资 源集中起来,由软件实现自动管理,无需人为参与。这使得超级计算能力通过互联网自 由流通成为可能,无需再投入极高的硬件购置成本,而只需通过互联网购买计算能力 把你的计算机当做接入口,一切都交给互联网。应用提供者无需为繁琐的细节而烦恼, 能够更加专注于自己的业务,有利于创新和降低成本。 云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力,进而减少用户终端的 处理负担,最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备,从“购买产品”到“购买 服务”转变,并能按需享受“云”的强大计算处理能力 从硬件上看,云计算能根据需求提供似乎是无限的计算资源,云计算终端用户无需 再为计算能力准备计划或预算;云计算用户可以根据需要,逐步追加硬件资源,而不需 要预先给出承诺;云计算为用户提供短期便用资源的灵活性,当不再需要这些资源的时 候,用户可以方便地释放这些资源 从用户角度看,“云”的基本含义是“资源在互联网中”,是为多个企业和普通用户 提供互联网中的资源,便于用户虚拟拥有和按需使用云端资源服务,用户不需要了解云 内部的细节,也不必具有云内部的专业知识或直接控制基础设施。云端服务,资源由互 联网中的云计算第三方提供,用户享受价值与能力,但并不物理拥有;虚拟拥有,用户 具有一定的贤源自主控制权;按需使用,用户按实际需求灵活扩展与收缩资源量;方便, 用户能以快速、低门槛方式获取资源服务。 从云计算后台看,云计算实现资源的集中化、规樸化。能够实现对各类异构软硬件 基础资源的兼容,如电网支持水电、火电、核电等异构电厂并网;还能够实现资源的动 态流转,如西电东送,西气东输、南水北调等。支持异构资源和实现资源的动态流转, 可以更好地利用资源,降低基础资源供应离的成本 将来的云计算,你需要多少计算能力,就给你多少,不必考虑这些计算机在哪个国 家、哪个城市、是谁在操作。就好像面对大海,你不需要了解这些海水从哪里流进来
105 被称为像打开电灯用电、打开水龙头用水一样使用 IT 基础设施，好比是从古老的单台 发电机模式转向了电厂集中供电的模式，而无需考虑电是从哪里来，水是哪家水厂的。 它意味着计算能力也可以作为一种商品流行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费 用低廉。最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。 广义的云计算是指“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常为一些 大型服务器集群，包括计算服务器、存储服务器、宽带资源等。云计算将所有的计算资 源集中起来，由软件实现自动管理，无需人为参与。这使得超级计算能力通过互联网自 由流通成为可能，无需再投入极高的硬件购置成本，而只需通过互联网购买计算能力， 把你的计算机当做接入口，一切都交给互联网。应用提供者无需为繁琐的细节而烦恼， 能够更加专注于自己的业务，有利于创新和降低成本。 云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力，进而减少用户终端的 处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，从“购买产品”到“购买 服务”转变，并能按需享受“云”的强大计算处理能力。 从硬件上看，云计算能根据需求提供似乎是无限的计算资源，云计算终端用户无需 再为计算能力准备计划或预算；云计算用户可以根据需要，逐步追加硬件资源，而不需 要预先给出承诺；云计算为用户提供短期使用资源的灵活性，当不再需要这些资源的时 候，用户可以方便地释放这些资源。 从用户角度看，“云”的基本含义是“资源在互联网中”，是为多个企业和普通用户 提供互联网中的资源，便于用户虚拟拥有和按需使用云端资源服务，用户不需要了解云 内部的细节，也不必具有云内部的专业知识或直接控制基础设施。云端服务，资源由互 联网中的云计算第三方提供，用户享受价值与能力，但并不物理拥有；虚拟拥有，用户 具有一定的贤源自主控制权；按需使用，用户按实际需求灵活扩展与收缩资源量；方便， 用户能以快速、低门槛方式获取资源服务。 从云计算后台看，云计算实现资源的集中化、规模化。能够实现对各类异构软硬件 基础资源的兼容，如电网支持水电、火电、核电等异构电厂并网；还能够实现资源的动 态流转，如西电东送，西气东输、南水北调等。支持异构资源和实现资源的动态流转， 可以更好地利用资源，降低基础资源供应商的成本。 将来的云计算，你需要多少计算能力，就给你多少，不必考虑这些计算机在哪个国 家、哪个城市、是谁在操作。就好像面对大海，你不需要了解这些海水从哪里流进来
也不需要担心海水会干,可以想用多少就有多少。这就是云计算的威力。 在不久的将来,有电的地方都能计算,有计算的地方都有智能。有智能的地方都能 上网,个人和企业都将由此迎来新的发展机遇。 7.13云计算的特征 云计算具有显著的特征,具体表现在以下几个方面 1)基于网络。云计算本质是通过网络将计算力进行集中,并通过网络进行服务 如果没有网络,计算力集中规模、服务的种类和可获得性就会受到极大限制,如集群计 算虽然也是基于网络的计算模式,但不能提供基于网络的服务,还不能称之为云计算 (2)超大规模。云计算支持用户在任何有互联网的地方、使用任何上网终端获取 应用服务。用户所请求的资源来自于规模巨大的云平台。 Google云计算已经拥有10 多万台服务器, Amazon、IBM、微软、 Yahoo等的“云”均拥有几十万台服务器。企业 私有云一般拥有数百上千台服务器。 3)虚拟化。现有云计算平台最大特点是利用软件来实现硬件资源的虚拟化管理 调度及应用。通过虛拟平台用户使用网络资源、计算资源、数据库资源、硬件资源、存 储资源等,与在自己的本地计算机上使用的感觉一样,相当于在操作自己的计算机。 计算支持用户在任何时间、任意地点、使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自 “云”,而不是固定的有形的实体。用户无需了解也不用担心应用运行的具体位置 4)数据安全可靠。云计算提供了最可靠、最安全的数据存储中心,使用了数据 多副本容错;数据在云端,不怕丢失,不必备份,可在任意点恢复,用户不用再担心病 毒入侵等麻烦。 (5)通用性好。云计算不针对特定的应用,在“云”的支撑下可以构造出千变万 化的应用,同一个“云”可以同时支撑不同的应用运行 (6)高可扩展性。云技术使用户可以随时随地根据应用的需求动态地增减IT资源, 将服务器实时加入到现有服务器群中。“云”的规模可以动态扩展,以满足特定时期、 特定应用及用户规模增长的需要。 (7)按需服务。“云”是一个庞大的资源池,可按需购买;就像自来水、电和煤气 等公用事业那样根据用户的使用量计费,无需任何软硬件和设施等方面的前期投入。 (8)极其麇价。由于“云”的特殊容错措施可以采用极其廉价的节点来构成云,“云” 的自动化集中式管理使大量企业无需负担日益高昂的数据中心管理成本,“云”的通用
106 也不需要担心海水会干，可以想用多少就有多少。这就是云计算的威力。 在不久的将来，有电的地方都能计算，有计算的地方都有智能。有智能的地方都能 上网，个人和企业都将由此迎来新的发展机遇。 7.1.3 云计算的特征 云计算具有显著的特征，具体表现在以下几个方面： （1）基于网络。云计算本质是通过网络将计算力进行集中，并通过网络进行服务， 如果没有网络，计算力集中规模、服务的种类和可获得性就会受到极大限制，如集群计 算虽然也是基于网络的计算模式，但不能提供基于网络的服务，还不能称之为云计算。 （2）超大规模。云计算支持用户在任何有互联网的地方、使用任何上网终端获取 应用服务。用户所请求的资源来自于规模巨大的云平台。Google 云计算已经拥有 100 多万台服务器，Amazon、IBM、微软、Yahoo 等的“云”均拥有几十万台服务器。企业 私有云一般拥有数百上千台服务器。 （3）虚拟化。现有云计算平台最大特点是利用软件来实现硬件资源的虚拟化管理、 调度及应用。通过虚拟平台用户使用网络资源、计算资源、数据库资源、硬件资源、存 储资源等，与在自己的本地计算机上使用的感觉一样，相当于在操作自己的计算机。云 计算支持用户在任何时间、任意地点、使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自 “云”，而不是固定的有形的实体。用户无需了解也不用担心应用运行的具体位置。 （4）数据安全可靠。云计算提供了最可靠、最安全的数据存储中心，使用了数据 多副本容错；数据在云端，不怕丢失，不必备份，可在任意点恢复，用户不用再担心病 毒入侵等麻烦。 （5）通用性好。云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万 化的应用，同一个“云”可以同时支撑不同的应用运行。 （6）高可扩展性。云技术使用户可以随时随地根据应用的需求动态地增减IT资源， 将服务器实时加入到现有服务器群中。“云”的规模可以动态扩展，以满足特定时期、 特定应用及用户规模增长的需要。 （7）按需服务。“云”是一个庞大的资源池，可按需购买；就像自来水、电和煤气 等公用事业那样根据用户的使用量计费，无需任何软硬件和设施等方面的前期投入。 （8）极其廉价。由于“云”的特殊容错措施可以采用极其廉价的节点来构成云，“云” 的自动化集中式管理使大量企业无需负担日益高昂的数据中心管理成本，“云”的通用